Bundesamt für Kartographie und Geodäsie

Laser Ranging

Nachdem in den 1960er Jahren leistungsstarke Pulslaser entwickelt wurden, waren die Voraussetzungen geschaffen, Entfernungen zu künstlichen Satelliten genauer als zuvor zu messen.

Einleitung

Vom Prinzip her einfach

Man sendet einen kurzen Laserpuls durch ein Teleskop zu einem Satelliten oder zum Mond. Dort wird das Licht über Reflektoren (Tripelprismen) wieder in das Teleskop zurückgeleitet, wo der Puls detektiert wird. Die Pulslaufzeit wird mit einer Stoppuhr gemessen. Teilt man die Laufzeit durch zwei und multipliziert sie mit der Lichtgeschwindigkeit, erhält man den Abstand zum Satelliten.

Für Laser Ranging-Messungen werden benötigt:

  • ein Laser, der kurze, lichtstarke Pulse erzeugt
  • ein Teleskop, mit dem die Laserpulse auf das Ziel geleitet werden
  • ein Detektor, der aus dem abgehenden Laserpuls einen Start- und aus dem rückkehrenden Strahl einen Stopp-Puls liefert
  • eine Stoppuhr, die die Laufzeit zwischen den Pulsen misst
  • eine Uhr, die die Epoche liefert, wann genau die Messung zum bewegten Ziel erfolgt
  • einen Steuerrechner, der die notwendigen Prozesse steuert und schließlich die Beobachtungen aufzeichnet

Schwierige Randbedingungen

Die Komplexität des Messverfahrens ist durch die schwierigen Randbedingungen gegeben. Das Ziel ist sehr weit weg, es bewegt sich sehr schnell, und die Messgenauigkeit soll besser als ein Zentimeter sein. Daraus resultieren folgende Anforderungen an das Messsystem:

  • Das Lasersystem muss sehr kurze, leistungsstarke Pulse liefern; das reflektierte Signal ist dennoch nur sehr schwach (wenige Photonen, im Extremfall 1 Photon).
  • Die Nachführung muss sehr präzise sein, um das sich schnell bewegende und sehr weit entfernte Ziel, das zudem sehr klein ist, zu treffen.
  • Der Detektor muss sehr empfindlich sein und auf Einzelphotonen ansprechen. Im Bereich weniger Pikosekunden muss er definierte Messpulse liefern.
  • Die Laufzeitmessung muss auf wenige Pikosekunden genau erfolgen.

Mit solchen Anforderungen bewegt man sich noch heute im Grenzbereich des technisch Machbaren.

Beobachtete Objekte

300 bis 20 000 km über der Erde

Satelliten müssen mit Retroreflektoren bestückt sein, um eine Entfernungsmessung mittels Laser zu ermöglichen. Es sind derzeit 39 Satelliten und 5 Mondreflektoren zu beobachten. Dazu zählen:

  • Geodätische Satelliten (Larets, Stella, Starlette, Ajisai, Lageos, Etalon, ...)
  • Schwerefeld-Satelliten (Grace, Goce)
  • Altimetrie-Satelliten (TerraSAR-X, TanDEM-X, Cryosat, Jason, ...)
  • Navigationssatelliten (GPS, GLONASS, Compass, Galileo)

Die für Laserentfernungsmessungen aktuell zur Verfügung stehenden Satelliten zeigt eine Liste

Bis zum Mond und zurück

Bei den amerikanischen Apollo- und den russischen Luna-Missionen sind Retroreflektoren auf dem Mond zurückgelassen worden, um Entfernungsmessungen zu ermöglichen. Während es sich bei Apollo-Reflektoren um fest installierte Paneele handelt, befinden sich die russischen Reflektoren auf den Lunochod-Mondfahrzeugen, die nach Ende der Mission als Target dienten.

Derzeit sind nur die Stationen Grasse, McDonald, Apollo, Matera und Wettzell in der Lage, Messungen bis zum Mond durchzuführen. Dabei können folgende Reflektoren angezielt werden:

  • Apollo 11 (Mare Tranquilitatis)
  • Apollo 14 (Fra Mauro)
  • Apollo 15 (Hadley Rille)
  • Luna 17 (Mare Imbrium)
  • Luna 21 (Mare Serenitatis)

Beobachtungsstationen

Bild zeigt die globale Verteilung der SLR/LLR-Stationen Globale Verteilung der SLR/LLR-Stationen Globale Verteilung der SLR/LLR-Stationen

Laserentfernungsmessungen werden heute auf 48 weltweit verteilten Stationen durchgeführt. Die Aktivitäten werden durch den Internationalen Laser Ranging Service (ILRS) gebündelt, der auch den Datenfluss und die Auswertung koordiniert sowie die Ergebnisse als ILRS-Produkte veröffentlicht. In Europa haben sich die Stationen zusätzlich zu dem EUROLAS Consortium of the European Laser Ranging Stations zusammengeschlossen. Das DGFI in München betreibt seit 1991 das EUROLAS Data Center (EDC)